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双龙沟矸石治理过程中植物群落演替及物种多样性研究.pdf
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1、为了探讨矸石治理过程中植物群落演替及物种多样性,本文运用时空替代法,选择甘肃省天祝藏族自治县双龙沟矸石治理不同年限(2 a、5 a、10 a)和未治理的矸石作为对照(CK)样地,通过对植被调查,分析研究了植物群落演替特征及物种多样性,并揭示其随着矸石治理年限的增加呈现出的变化规律,为祁连山东段双龙沟及其相似地区矸石治理、生态系统修复及生态环境建设提供科学理论基础。研究表明:(1)双龙沟矸石治理过程中,4个样地共出现24科40属55种植物,其中有15科是单科、单属及单种,菊科、禾本科、蔷薇科植物种数达到28种,占总科数的12.5%,总物种数达到50.91%。物种构成表现为:多数种属于少数科,大部
2、分植物种为单科、单属。(2)随着矸石治理年限的增加,群落优势种由一年生或多年生草本植物逐渐转化为多年生草本植物及灌木植物,植物种由对照(CK)的11种,增加到矸石治理5 a时28种,再降到矸石治理10 a的18种,最后垂穗披碱草、早熟禾及沙棘成为该样地的优势种,这三种植物重要值的总和达到48.107。(3)随着矸石治理年限增加,物种数、Shannon多样性指数、Margalef丰富度指数从CK到矸石治理5 a时逐渐增加,分别达到最大值28、3.506及2.877;Pielou均匀度指数呈现“下降-上升-再下降”的变化趋势,变化幅度不大。Simpson优势度指数呈现出“上升-下降-再上升”变化趋
3、势,矸石治理10 a时达到最大值0.359;(4)矸石治理年限对植物种群数量特征影响较大,株高从CK、2 a到10 a显著增高(P0.05),盖度从CK到治理5 a、10 a显著增大(P0.05),植物株数从CK到治理10 a显著增大(P0.05)。综上所述,祁连山东段双龙沟矸石治理过程中,在人工干预下,矸石治理年限对植被演替及物种多样性影响较大,植物群落逐渐变得单一、稳定。关键词:双龙沟;矸石治理;植物群落演替;重要值;物种多样性祁连山是我国西部重要的生态屏障与水源涵养生态功能区,该区域植被类型是高寒生态系统物种多样性最丰富密集的地区之一1,其东段的双龙沟曾覆盖大面积的草甸草原和次生灌木,有
4、利于生态系统稳定性和安全性2。由于受到大规模的过度开发及其他因素影响,使得河床破损,严重损毁了河道及周边的森林、草原等植被,导致水源涵养林功能下降、生态环境严重破坏、物种多样性急剧减少、生态系统稳定性降低3。特别是开矿产生的大量矸石对祁连山生态环境造成了极大的破坏,不但抑制植物生长,而且导致该区土壤污染及水土流失十分严重,受到社会各界的高度关注4。如何科学治理因大规模开矿造成的矸石,保护、修复祁连山生态环境,维持植物群落结构稳定性及植物多样性是目前面临的一个新课题。植被恢复不但直接影响受损生态系统的生物地球化学循环5,而且可有效降低土壤容重,改善土壤孔隙状况,增加土壤肥力,改变土壤的空间异质性
5、,从而使土壤的理化性质改善6,是矸石生态恢复,改良土壤环境的主要措施之一,现已广泛应用于矸石山土壤质量改良中,成为废弃矿区生态重建领域的重要研究方向7。在矿区生态修复过程中,收稿日期:2023-01-09;修订日期:2023-03-29基金项目:国家自然科学基金(42167069)与甘肃省青年科技基金(20JR10RA468,21JR7RA734)联合资助作者简介:王理德(1969-),男,博士,研究员,硕士生导师,主要从事生物多样性及水土保持与荒漠化防治研究.E-mail:通讯作者:李广宇.E-mail:12941303页8期王理德等:双龙沟矸石治理过程中植物群落演替及物种多样性研究曹银贵等
6、8研究认为,植被恢复对露天矿区生态系统恢复十分重要;Fernandez等9提出了矿区植被重建关键技术,包括植物物种选择、幼苗种植、群落构建以及植被维护等;Merino-Martin等10考虑到植被生命周期的重要性,提出了全局植被重建技术(植被物种优选、表土覆盖、播种和维护管理)。物种多样性又是衡量一定区域内生物资源丰富程度的一个客观指标,反映了群落内部结构的多样性和空间异质性11。可见,植物群落演替及物种多样性研究,对于矸石山生态修复及矿区环境保护具有深远意义。祁连山地区日照时间长、辐射强、高寒、缺氧等因素共同作用孕育了大量独特的生物资源12。关于祁连山植被与土壤物理性质、化学性质、微生物学特
7、性及气候因子、不同地理位置响应的研究较多13-14,但涉及到祁连山双龙沟矸石治理过程植物群落演替及物种多样性研究还较少。本研究在祁连山双龙沟选取矸石治理2 a、5 a及10 a的典型植被类型为研究对象,并以没有治理的矸石为对照(CK),采用时空替代的方法对其植物群落演替及物种多样性变化进行了研究,以阐明祁连山双龙沟矸石治理过程中植物群落演替及物种多样性的变化规律,旨在为该区生态系统的修复提供科学理论依据,为双龙沟及其相似地区的受损生态环境修复提供技术支撑。1材料与方法1.1 研究区概况研究区位于甘肃省武威市天祝藏族自治县哈溪镇双龙沟(图1),该区域人为采矿活动频繁,植被和地貌环境破坏严重,水源
8、涵养能力降低,生态服务功能减弱。近10多年来,双龙沟矿区分批次启动一系列治理项目,主要以回填采坑、采槽,整平稳固砂堆,疏导稳固河道,采用种植“沙棘+垂穗披碱草”的人工修复模式,研究区大部分牧民已经搬迁,为矸石治理年限对植物群落演替及物种多样性研究提供了理想的场地。研究区地势南高北低,沟谷纵横,地理坐标为371812372518N,10217181023342E,海拔介于24004800 m。研究区的西部和南部与青海省接壤,年平均气温3.3,10 的积温 108,年平均日照时数2547 h,平均无霜期128 d,平均相对湿度58%,年均蒸发量1677 mm,年均降水量400 mm以上,降水主要集
9、中在89月;中晚更新世及全新世初期,受到冰川(融水)及一系列复杂化学反应的影响,在双龙沟流域形成了典型的冰水堆积阶地型砂金矿床,砂(岩)金、铜、铁、煤炭等矿产资源丰富。双龙沟流域区内有林地2486.1 hm2,疏林地24.4 hm2,灌木林地14857 hm2,草地 245 hm2,水域 537.5 hm2,雪山裸岩未利用地4445.1 hm2。区内植物资源丰富,以森林和草原为主,乔木以青海云杉(Picea crassifolia)为建群种,混交少量祁连圆柏(Sabina przewalskii)、红桦(Betula albo-sinensis)和山杨(Populus davidiana)等,
10、灌木以高山柳(Salix cupularis)、杜鹃花(Rhododendron simsii)、锦鸡儿(Caragana sinica)为主,人工林主要有沙棘(Hippophae rhamnoides)、金露梅(Potentilla fruticosa)、银露梅(Potentilla glabra)。草本植物以垂穗披碱草(Elymus nutans)、蕨麻(Potentilla anserina)、多茎委陵菜(Potentilla multicaulis)、车前(Plantago asiatica)、苔草(Carex spp.)、蒲公英(Taraxacum mongolicum)为主。图1
11、研究区位置示意图Fig.1 Location map of the study area129540卷干旱区研究1.2 样地布设及植物调查2021年78月,走访调查当地牧民和查阅天祝县哈溪镇与祁连山国家自然公园哈溪保护站矿区治理相关资料。运用时空替代法,在集中连片的矸石治理区域内,选择自然环境相似、微地形差异较小、植物生长均匀,治理年限分别为2 a、5 a、10 a和没有治理的矸石作为对照(CK)的4个样地。2021年8月25日至9月2日进行野外调查,依据任继周15野外调查的方法,在每个样地内设置3块10 m 10 m大样方,用于测定灌木植物种类、物种数、高度、盖度及冠幅等指标;同时在每个大样
12、方对角设置 2 块1 m 1 m小样方,用于测定草本植物种类、物种数、高度和盖度等指标。用GPS定位,测量并详细记录样方中群落优势种、地理坐标、海拔高度(表1)。1.3 群落特征计算1.3.1 重要值计算根据所调查样地内植物群落的特征数据,计算每个样地内各个物种的重要值,并以重要值确定群落主要成分及优势种。计算公式如下16:IV=(RHI+RCO+RFE)100%(1)式中:IV表示重要值;RHI表示相对高度;RCO表示相对盖度;RFE表示相对频度。相对高度(RHI)=(某种植物的高度/全部植物的总高度)100%相对盖度(RCO)=(某种植物的盖度/全部植物的总盖度)100%相对频度(RFE)
13、=(某种植物的频度/所有种的总频度)100%1.3.2 多样性指数计算选择Shannon多样性指数、Simpson优势度指数、Pielou均匀度指数、Margalef丰富度指数等对祁连山双龙沟不同年限矸石治理植物群落进行测量计算。计算公式如下16:Shannon多样性指数:H=-i=1sPilnPi(2)Simpson优势度指数:C=i=1sNi(Ni-1)N(N-1)(3)Pielou均匀度指数:E=HlnS(4)Margalef丰富度指数:DMG=S-1lnN(5)式中:Pi为第i个物种的频度;Ni为第i个物种的个体数;S为物种数量;N为所有物种的总个体数。1.4 数据处理与分析试验数据先
14、使用 Excel 2013软件进行统计整理,用SPSS 18.0软件进行分析处理,不同治理年限植物种群数量差异显著性采用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验。2结果与分析2.1 植物群落物种组成由表2可以看出,在双龙沟矸石治理过程中,调查的4个样地(2 a、5 a、10 a和CK)内共出现24科40属55种植物,其中菊科(8属11种)、禾本科(4属6种)、蔷薇科(3属11种)植物,占总科数的12.5%,占总物种数的50.91%(分别为20%、10.91%和20%);表1 不同治理年限样地基本特征Tab.1 Different administrative fixed number
15、of year sample ground basic characteristic编号0a-10a-20a-32a-12a-22a-35a-15a-25a-310a-110a-210a-3治理年限/a000222555101010海拔/m311330503052304830483048300329662663295928682652纬度372213N372217N372214N372216N372216N372216N37226N37227N372349N372218N372226N372349N经度1022253E102236E102237E102239E102239E102239E102
16、2345E1022347E1022912E1022355E1022523E1022915E群落优势种臭蒿(Artemisia hedinii)、还阳参(Crepis rigescens)、高原毛茛(Ranunculus tanguticus)、垂穗披碱草(Elymus nutans)垂穗披碱草、蕨麻(Potentilla anserina)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、披碱草(Elymus dahuricus)银露梅(Potentilla glabra)、沙棘、西北沼委陵菜(Comarumsalesovianum)、火绒草(Leontopodium leontopodioi
17、des)早熟禾(Poa annua)、沙棘、垂穗披碱草、西北沼委陵菜12968期王理德等:双龙沟矸石治理过程中植物群落演替及物种多样性研究毛茛科、石竹科、龙胆科、罂粟科分别为2属2种,4科共占总物种数的14.55%;蓼科、胡颓子科为1属2种,共占总物种数的7.27%。其余15科均是1属1种,即为单科、单属及单种,占总物种数的27.27%。2.2 矸石治理年限对植物群落物种重要值的影响不同年限矸石治理过程中植物群落调查总共发现55种植物(表3),其中草本46种占总物种数的83.64%、灌木8种占总物种数的14.55%、藤本1种占总物种数的 1.82%。矸石在没有进行人工治理(CK)时,实验样地共
18、有植物11种,其中草本植物9种,灌木植物2种。臭蒿(Artemisia hedinii)、还阳参(Crepis rigescens)、高 原 毛 茛(Ranunculus tanguticus)、垂穗披碱草、风毛菊(Saussurea japonica)等5种草 本 植 物 重 要 值 较 大,分 别 是 14.763、13.912、13.372、13.361、10.841。两种灌木悬钩子(Rubus corchorifolius)及银露梅重要值较小,分别是 7.102 及3.5。矸石治理2 a后,植物种类成倍增加,草本植物增加了9种,灌木植物增加了3种。天山千里光(Senecio thian
19、schanicus)、蕨麻、多茎委陵菜、鼬瓣花(Galeopsis bifida)、车前等大量草本植物出现,使草本植物的种类达到了18种,但是草本植物风毛菊、还阳参、高原毛茛的重要值明显下降为 2.180、2.144、1.732,分别下降了 4.973 倍、6.489 倍及 7.72倍;臭蒿、西藏点地梅(Androsace mariae)、委陵菜(Potentilla chinensis)、小果滨藜(Microgynoecium tibeticum)4 种草本植物的重要值由 14.763、7.771、4.763、6.579变为0,矸石治理后,再没有出现。而灌木植物由原来的2种增加到5种,并且沙
20、棘的重要值高达9.028。矸石治理5 a后,治理2 a样地内的优势草本植物种垂穗披碱草、蕨麻及披碱草等草本植物的重要值下降了4.403倍、6.324倍及11.214倍,并且CK中出现的草本植物除垂穗披碱草外,全部退出。但是,草本植物苔草、蒲公英、火绒草(Leontopodium leontopodioides)等大量草本植物出现,使草本植物的种类达到了23种。灌木植物中小叶柳(Salix hypoleuca)退出,肋果沙棘(Hippophae neurocarpa)出现,在矸石治理5 a的样地中出现了28种植物,银露梅的重要值达到最大,为 11.501、沙棘的重要值(10.303)次之、西北沼
21、委陵菜(Comarum salesovianum)的重要值也增加了120.4%。矸石治理10 a后,植物群落中草本植物种数量由23种减少为13种,并且大部分是新出现的物种,原来CK、治理2 a、治理5 a三个样地内留存的草本植物只有5种;群落中首次出现了藤本植物甘青铁线莲(Clematis tangutica),其重要值高达8.242。灌木植物忍冬(Lonicera japonica)首次出现,但其重要值只有3.361,金露梅及肋果沙棘消失,灌木植物也由5种减少为4种。2.3 矸石治理年限对植物群落物种多样性的影响由表4可知,在矸石治理10 a的植物群落演替过程中,物种数与Shannon多样性
22、指数、Margalef丰富度指数从CK到矸石治理5 a时逐渐增加,在矸石治理5 a时分别达到最大值28、3.506、2.877,到第10 a时有所下降,物种数与Margalef丰富度指数的最小值出现在CK样地内,分别是11与1.417,Shannon多样性指数的最小值(2.039)出现在治理10 a样地内,表2 祁连山双龙沟植物群落物种组成Tab.2 Species composition of vegetation community inShuanglonggou,Qilian Mountains编号123456789101112131415161718192021222324合计科菊科(
23、Asteraceae)禾本科(Poaceae)蔷薇科(Rosaceae)毛茛科(Ranunculaceae)石竹科(Caryophyllaceae)报春花科(Primulaceae)苋科(Amaranthaceae)车前科(Plantaginaceae)通泉草科(Mazaceae)十字花科(Brassicaceae)白花丹科(Plumbaginaceae)唇形科(Lamiaceae)莎草科(Cyperaceae)龙胆科(Gentianaceae)罂粟科(Papaveraceae)蓼科(Polygonaceae)柳叶菜科(Onagraceae)茜草科(Rubiaceae)列当科(Orobanch
24、aceae)牻牛儿苗科(Geraniaceae)鸢尾科(Iridaceae)胡颓子科(Elaeagnaceae)杨柳科(Salicaceae)忍冬科(Caprifoliaceae)属数84322111111112211111111140物种数1161122111111112221111121155129740卷干旱区研究表3 矸石治理年限对植物群落物种重要值的影响Tab.3 Effects of treatment years of gangue on species importance value of vegetation community编号123456789101112131415
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